大凌河河流系统水质时空格局演化研究

2018-07-18方迎春

水利规划与设计 2018年6期

方迎春

(辽宁省锦州水文局，辽宁锦州 121000)

水资源循环系统可通过直接或间接的作用与外界环境发生能量物质交换，它是一个涉及人类活动、经济发展、自然生态、水土资源等方面的多层次开放型系统[1]。随着科技进步以及人类对水资源改造能力的不断提升，水资源现状和水系统循环演化规律已发生了重大变化，为减少人类活动对水资源系统造成不良影响，准确把握河流系统水质演化的发展规律，并完善水资源系统的空间分布结构，国内外学者对水质演化规律进行了大量研究[2]。如美国学者Stockton通过建立降雨、气候和径流量之间的变化关系，探讨了美国主要河流在不同气候环境下的径流变化曲线；龙虎等利用统计分析基本原理，分析了黄河中下游气候变化和水资源之间的关系，并针对引起水资源减少的主要因素提出相应的补偿措施和治理方法；严登化等学者以地表水质监测及历年水文资料为基础，进行了东辽河地表水质演化规律研究；虽然国内外学者对水质演化规律进行了大量的研究取得了一定的成果，但是通常情况下是采用定性分析为主、定量分析为辅的研究方法，未形成较为科学的理论体系和技术方法。本文基于耗散结构基本理论，对河流系统的耗散结构特征进行识别，并以大凌河河流系统为例进行水质时空演化规律的理论研究和分析。研究成果可形成一套完整、科学的水资源演化规律理论系统和分析方法，可为水质时空格局演化规律的研究提供科学的依据和理论支持参考[3]。

1 河流系统耗散结构研究

1.1 结构识别

系统内部各组成部分之间可发生自组织系统作用，将交换所得的能量和物质进行转化吸收并对外界系统进行排放交流，故在一定的时间和空间尺度上，系统的输入和输出可达到一定的生态平衡，即耗散结构[4]。河流系统因以下特征产生耗散结构。

(1)开放性。河流系统受人类活动或自然环境的影响，不断地与外界系统发生物质、信息和能量的交换，可使系统的熵逐渐减少并向着有序化方向发展。

(2)远离平衡态。河流中的各类动植物无论在时间还是空间尺度均能保持一定的有序性，能够形成一种远离平衡的生态平衡，即为一种“活态”。

(3)系统内部各组分之间的非线性作用。外界系统中如降雨径流、污水排放以及污染物的进入河流水体后，外界物质中包含有复杂的物理(扩散、沉淀)、化学(分解或凝聚、酸碱中和反应、氧化还反应)、生物(降解、吸收)等多种非线性作用。

(4)存在涨落突变特征。当外界人类活动和自然环境对河流系统不断的产生作用和影响时，可导致河流水体的污染物浓度在时间和空间上分布不均匀即产生多个小涨落，当累计达到某一临界值时河流系统就会产生大的涨落，河流系统即可转换到另一状态[5]。

1.2 演化规律

普利高津在假设了河流系统局域平衡的前提下，利用耗散结构理论，提出任何一个开放系统熵值由两部分组成，计算公式如下：

ds=dsi+dso

(1)

式中，ds—开放系统熵值；dsi—系统不可逆过程产生的熵值增加量；dso—熵流，即系统进行物质和能量交换引起的熵变。

河流系统初始状态为一个稳态，当与外界系统进行能量、物质和信息的交换时，大量的污染物和排泄物进入河体，此时系统内出现正熵流即dso为正，引起河流朝着无序状态演变；为了改善河流水资源的系统环境，降低人类活动对河流的污染危害，人们通过采取科学有效的水资源治理措施、建立废水废物往河流内排放的管理制度、提高水体自净洁能力，以增加河流系统负熵流即dso为负，促进系统朝着有序状态演化，并进入新的耗散结构，完成从低级耗散结构向高级耗散结构的演化[6]。河流系统与外界环境进行熵流的正负转换过程即为河流系统的水质演化过程。受多种因素影响，河流系统可能出现不同的状态，每种状态xi出现的概率为pi时，系统的熵流按下式进行计算：

(2)

由式(2)可知，系统每种状态出现的次序不影响熵值的计算结果，其值为各状态熵值的综合。可利用熵值对系统的演化方向进行描述，即系统熵值越大则系统有序性程度就越低；反之，熵值越小则系统有序性程度则越高。

2 河流系统水质演变熵研究

河流受人类活动影响、大气环境变化、外界不确定性行为等多种因素影响，致使系统水质演变是一个随时间变化而改变的随机过程。因河流污染程度、分界类别以及水质状况等概念是一个客观存在的模糊性现象，且包含多种不确定性因素，故在进行熵值计算前需将系统看作是一个模糊系统进行研究[7- 9]。

根据水体污染分技术k可计算得到k级水质标准浓度矩阵[S]m×k和实测浓度矩阵[C]m×n如下：

(3)

式中，Sih—第i相污染指标的第h级水质标准浓度值；Cij—第j个水体样本的第i项污染物浓度实测值。

将式(3)按照线性统一化进行规范化处理，即可得模糊矩阵[e]m×k和[f]m×n如下：

(4)

式中，eih=(Sik-Sih)/(Sik-Si1)，ei1、eih、eik—第1、h、k级水质标准污染物标准浓度；fij—实测浓度规范化矩阵元素，分两种情况按下式进行计算。

(1)评价指标值越大则水质越优型数据，fij为：

(5)

(2)评价指标值越小则水质越优型数据，fij为：

(6)

水体根据污染程度标准而具有一定的模糊性污染分级，样本可根据不同的隶属度u隶属于各级水质，则n个样本中k级水质的隶属度模糊矩阵[uhj]n×k如下：

(7)

上述隶属度模糊矩阵[uhj]n×k具有一定的不确定性，可根据信息熵原理，第j样本的不确定性可用信息熵S(j)可用下式进行计算：

(8)

式中的隶属度uhj根据最大熵原理即熵恒增定律，按下式进行计算：

(9)

(10)

(11)

根据上述计算结果可进行熵变ds在时间和空间上的演变计算，计算方程如下所示：

ds(t)=S(t)-S(t-1)

(12)

ds(j)=S(j)-S(j-1)

(13)

综上所述，在分析了河流耗散结构基本原理的基础上，河流系统水质时空格局演化规律可根据熵变ds的正负进行表征，当ds>0时，则系统有正熵的输入，河流向无序状态演变；当ds<0时，则系统有负熵的输入，河流向有序状态演变。

3 应用实例研究

3.1 大凌河河流系统概况

大凌河位于我国的辽宁省西部，该河流水资源污染严重，泥沙含量较大约为57kg/m3。该河流流经我国东北部的重工业基地，并伴随和经济的快速发展，工业废水、农业化肥以及生活污水被大量排入河中，导致河流水资源严重污染，水质环境急剧恶化，水资源演化进入恶性循环。以河流耗散结构理论为基础，建立了河流系统水质演化模型，研究大凌河河流系统水质时空演化规律，旨在为进行大凌河污染合理控制和水资源科学科学管理提供参考依据和理论支撑[10]。

3.2 水质演变规律分析

根据调研可知工业废水、生活污水及农药化肥的排放等因素是造成大凌河水体严重污染的主要因素。本文选择具有一定代表性的污染物指标如的生化需氧量(A)、高猛酸钙指数(B)、溶解铁(C)、溶解氧(D)、总氮(E)和氨氮(F)等6项指标。以大凌河面源污染排放检测相关资料为依据，收集整理了大凌河系统在2015年的污染物指标，见表1。

表1 大凌河2015年各时段污染物监测指标

根据标准规定，三个水质监测站的六个评价指标标准浓度矩阵和实测浓度矩阵[Sih]6×5、[Cij]6×3分别如下：

图1 时域演化规律

图2 地域演化规律

根据上述浓度矩阵计算结果，可进行规范处理得[e]6×5和[f]6×3，然后利用本文的计算公式可进行大凌河在各水质监测站的时间和空间的信息熵值S(j)的计算。计算结果如图1和图2。由图1可知，大城子、朝阳和凌海水质监测站的信息熵随时间变化有相同的趋势，每年的信息熵值呈先增大后减少的规律，在6月份达到最大值，在12月份时间信息熵最小。其原因可能是河流系统时间信息熵与污染物排放规律有关，每年的夏季是降雨和生活污水、工业污水排放的高峰时期，而在秋冬季，生活和工业排放量逐渐减少，而农业用水量由随增加，但增加的幅度小于生活和工业用水减少的幅度，故河流系统时间信息熵进入秋冬季以后逐渐减少。

由图2可知，不同河段的河流系统空间信息熵与河流走势变化情况大致保持相同，在大城子下游至朝阳上游河段的空间信息熵值逐渐增大，朝阳水质监测站河段的空间信息熵值最大，此后呈递减趋势。运用河流系统耗散结构理论分析可知，在大城子上游河段水体还未受到污染，信息熵值较小，河流系统处于有序的状态；而随着河流继续往下走，进入朝阳河段时，该河段属于工农业和人口密集区，大量的生活污水、农业废水以及污染物被排放进入何地，水质变差，故信息熵值增大，河流系统进入无序的或较低程度的有序状态；河流继续往下走，河流系统进入相对平稳期，外界干扰逐渐降低，水体自清洁功能逐渐发挥作用，河流水质得到改善，河道信息熵值为负，但河流流入的负熵仍不足以抵抗外界输入的正熵[11]。